ترموکوپل

ترموکوپل

ترموکوپل چیست ؟

ترموکوپل (Thermocouple) یک سنسور تشخیص دمای ترمو-الکتریکی مدار-بسته شامل دو سیم غیر هم جنس است، که در یک انتها به هم متصل شده‌اند. زمانیکه دما در یک سمت با دما در سمت دیگر تفاوت داشته باشد یک جریان الکتریکی در مسیر برقرار می‌شود. به این پدیده اثر سیبک (به انگلیسی: Seebeck Effect) گفته می‌شود که اساس کار ترموکوپل‌ها می‌باشد. به یک طرف این اتصال، اتصال گرم و به طرف دیگر آن اتصال سرد گفته می‌شود. سمت گرم داخل یک محفظه محافظ قرار داده شده و در معرض فرایند قرار داده می‌شود. اگر محل اتصال دو فلز ترموکوپل حرارت داده‌شود، به دلیل اثر ترموالکتریکی در دو سر دیگر آن‌ها که آزاد هستند اختلاف پتانسیلی (ولتاژ) تولید شود. این ولتاژ تابع دما است و با اندازه‌گیری آن، می‌توان دما را اندازه گرفت. ترموکوپل یک مبدّل (ترانسدیوسر) خودمُولّد است که از اتصال دو فلز ناهم‌جنس تشکیل شده‌است. اتصال سرد بایستی در دمای مرجع قرار داده شود. به عنوان مثال، اتصال مرجع را بایستی در ظرف حاوی یخ در حال ذوب شدن قرار داد. سمت دیگر ترموکوپل بایستی به جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، کاملاً جفت شود. محدوده اندازه گیری دما توسط ترموکووپل ها نسبتاً وسیع بوده و در شرایط محیطی گوناگون قابل استفاده می باشند. ترموکوپلها به دلیل ثابت زمانی کوچک دارای سرعت پاسخ دهی خوب می باشند. ولی به لحاظ رعایت مواردی در محل نصب آنها، این سرعت پاسخ دهی تا حد زیادی کاهش می یابد.(شرکت آریان)

عناصر طراحی ترموکوپل مشترک چیست؟

سنسورهای ترموکووپل از سیم هایی تشکیل شده اند که معمولاً ترموالمانت ها ، عایق کاری ، غلاف ، مهر و موم انتهایی و وسیله اتصال (سیم های فرمت ، اتصالات و غیره) نامیده می شوند. سیم ها از یک طرف به هم وصل می شوند تا اتصال “اندازه گیری” یا “گرم” را تشکیل دهند. این سنسور باید به یک دستگاه نمایشگر یا دستگاه دیجیتال وصل شود که تغییرات دمایی را نمایش دهد.  

زمان پاسخ یک ترموکوپل چقدر است؟

زمان مورد نیاز یک سنسور برای رسیدن به 63.2٪ تغییر مرحله دما در یک مجموعه از شرایط مشخص تعریف شده است. پنج ثابت زمان لازم است تا سنسور به 100٪ مقدار تغییر مرحله نزدیک شود. ترموکووپل محل اتصال در معرض سریعترین پاسخ را ارائه می دهد. همچنین هرچه قطر غلاف پروب کوچکتر باشد ، واکنش سریعتر خواهد بود اما حداکثر دما ممکن است پایین تر باشد. با این حال ، آگاه باشید که گاهی اوقات غلاف پراب نمی تواند در برابر دمای کامل نوع ترموکوپل مقاومت کند. درباره زمان پاسخ ترموکوپل بیشتر بدانید.

عملکرد ترموکوپل

اساس عملکرد ترموکوپل این قضیه فیزیکی است که هرگاه دو فلز غیر هم‌جنس به هم متصل شوند، نیروی محرکه‌ای در محل اتصال دو فلز ایجاد می‌شود که تابع دمای نقاط اتصال است. شکل کلی این نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive Force) به صورت زیر است: e=α1T+α2T2+α3T3+…+αnTne=α1T+α2T2+α3T3+…+αnTn (رابطه ۱) در این رابطه، ee نیروی محرکه و TT دمای مطلق است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، رفتار نیروی محرکه، غیرخطی بوده و در نتیجه برای اندازه‌گیری دما مناسب به نظر نمی‌رسد. اما در اتصال برخی ماده‌ها به یکدیگر، حاصل عبارت‌هایی که شامل توان‌های بالاتر TT است، تقریباً برابر با صفر خواهد شد. در چنین وضعیتی، رابطه بین نیروی محرکه و دما تقریباً به صورت خطی در خواهد آمد. e≈α1Te≈α1T هنگامی که یک زوج از سیم‌های متشکل از این ماده‌ها به هم متصل شوند، یک ترموکوپل تشکیل می‌شود. ترموکوپل‌ها نقش پر رنگی در صنعت دارند و در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

جنس ترموکوپل

جنس سیم‌های به کار رفته در ترموکووپل، فقط از برخی فلزات خاص انتخاب می‌شود. برای ساخت آن می‌توان از ترکیب‌های مختلفی از فلزات پایه (Base Metal) مانند مس و آهن، آلیاژهای فلزات پایه مثل آلومل (Ni/Mn/Al/Si)، کرومل (Ni/Cr)، کنستانتان (Cu/Ni)، نیکروسیل (Ni/Cr/Si) و نیسیل (Ni/Si/Mn)، فلزات قیمتی (Noble Metal) از قبیل پلاتینیوم و تنگستن و همچنین آلیاژهای فلزات قیمتی همچون پلاتینیون– رادیوم و تنگستن–رِنیوم استفاده کرد. البته فقط ترکیب‌های محدودی از این ماده‌ها به عنوان ترموکوپل ساخته می‌شود و هریک از این ترکیب‌های استاندارد با یک حرف انگلیسی نام‌گذاری شده‌اند. مثلاً ترموکوپلی که از کرومل و آلومل ساخته شده است، ترموکوپل نوع K نامیده می‌شود. نمودار دما برحسب نیروی محرکه برای تعدادی از ترموکوپل‌های استاندارد در شکل زیر نشان داده شده است. همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، هریک از این نمودارها حداقل در بخشی از بازه‌ دمایی، رفتاری خطی نشان می‌دهد.ترموکوپل

غلاف ترموکوپل

خود سنسور ترموکووپل سنسور بسیار کوچکی است که دقیقاً در حد نقطه کو پل شدن ۲ فلز ناهم‌جنس است ولی از آنجایی که این سنسور جزو سنسورهای تماسی است برای مصارف مختلف نیاز به یک اساتراکچر مناسب برای محل نصب خواهیم داشت که به آن غلاف می‌گویند. این غلاف در سایزهای مختلف در بازار موجود است که هنگام خرید می‌توانید سازهای مختلف موردنظر را به فروشنده اعلام کنید تا برای شما آماده کند.مثلاً غلاف ۵ سانتی ، غلاف ۱۰ سانتی و … علاوه براین یکی از علت‌هایی که از غلاف برای ترموکوپل‌ها استفاده می‌شود محافظت از نقطه کو پل در برابر تنش و شوک‌های مکانیکی است. در کنار این موضوع که این غلاف محافظ خیلی خوبی برای ترموکوپل است باید به این نکته نیز توجه داشت که سرعت پاسخ‌دهی خود ترموکوپل در حالت عادی بالاست ولی زمانی که از این غلاف‌ها جهت محافظت از نقطه کو پل استفاده می‌شود سرعت پاسخ‌دهی تا حدودی پایین می‌آید.ترموکوپل

مزایای ترموکوپل

  از مزایای آن ها می توان به سادگی، قیمت مناسب، استحکام و دوام بالا جهت مصارف صنعتی و دقت مناسب اشاره کرد. محدوده اندازه گیری دما توسط ترموکوپل ها وسیع بوده و در شرایط محیطی متفاوت قابل استفاده می باشند.  این محصولات دارای سرعت پاسخ دهی خوبی بدلیل ثابت زمانی کوچک می باشند. از معایب ترمووکوپل ها، غیر خطی بودن، تماسی بودن (در معرض اغتشاش و شوک و …)، دقت متوسط را می توان نام برد. جهت استفاده ترموکووپل در مکان هایی که لرزش یا ضربه وجود دارد برای محافظت از سنسور از روکشی بنام ترموول یا غلاف استفاده می شود که باعث کاهش سرعت پاسخگویی می شود.